Дипломная работа: Автоматизированная система изучения тепловых режимов устройств ЭВС

В связи с тем, что для рассматриваемого случая между двумя ближайшими соседними контактными площадками, расположенными нельзя провести ни одного печатного проводника, корпуса ИМС на плате следует располагать свободно, оставляя зазоры между ними для прокладки печатных проводников.

Разность kA-L (для рассматриваемого случая равна 0,23 мм) позволяет судить о возможности создания технологических запасов величин Wn, Smin и Bmin и их величинах. Рациональное распределение этих запасов между расчетными параметрами печатной платы позволяет повысит процент выхода годных при изготовлении ПП, повысить надежность и снизить требования к технологии [12].

Вторым этапом расчета ЭПМ является электрический расчет.

Электрическое сопротивление проводников с покрытием определяют по формуле

, (4.2.10)

где р — удельное электрическое сопротивление; h — толщина проводника с покрытием; k количество участков печатного проводника на его расчетной длине, имеющих различную ширину; li; — длина i-го участка печатного проводника шириной ti, ширина печатного проводника на i-м участке.

При определении сопротивления, проводников, имеющих дополнительное покрытие толщиной менее 12 мкм с относительно высоким удельным сопротивлением (например, никель, олово, палладий), как правило, рассчитывают только сопротивление медного слоя, а сопротивление покрытий не принимают во внимание. При толщине дополнительного покрытия более 12 мкм сопротивление проводника определяют как сумму сопротивлений отдельных слоев. Сопротивление медного проводника с дополнительным медным покрытием рассчитывают исходя из их суммарной толщины.

Расчет электрического сопротивления печатного проводника без. покрытия Rб производят по формуле

 (4.2.11)

где Rj — электрическое сопротивление i-го участка печатного проводника постоянной ширины и толщины, определяемое для заданных значений температуры.

Допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка следует выбирать из условий допустимого превышения температуры проводника над температурой окружающей среды. Например, для медного проводника толщиной h= 35 мкм, шириной t=1 мм при нагреве на 20 С. нагрузочная способность по току примерно 3 А [11].

Для проводников имеющих дополнительное металлическое покрытие hн < 12 мкм, за толщину проводника принимают толщину основного проводящего слоя (фольги). Для проводников, имеющих дополнительное покрытие меди толщиной более 12 мкм, за толщину принимают суммарную толщину h основной и дополнительно осажденной меди.

Допустимую токовую нагрузку следует уменьшить на 15 % для проводников, расположенных на расстоянии, равном или меньшем их ширины.

 Электрический расчет элементов ЭПМ включает два подэтапа: расчет по постоянному и переменному току.

Расчет по постоянному току практически выполняется для цепей питания и «земли». Необходимо оценить наиболее важные электрические свойства печатных плат по постоянному току: нагрузочную способность проводников по току, сопротивление изоляции и диэлектрическую прочность основания платы. Практически сечение проводника рассчитывают по допустимому падению напряжения Uп на проводнике:

 , (4.2.12)

где р — удельное сопротивление проводника, Ом-мм/м; hф, t, lп соответственно толщина фольги, ширина и длина проводника, мм; Iп ток через проводник.

Для электронных логических схем допустимое падение напряжения в цепях питания и «земли» не должно превышать 1—2 % от номинального значения подводимого напряжения ЕК, поэтому требуемое сечение печатного проводника шины питания и «земли» вычисляется по формуле

, (4.2.13)

где  - сечение печатного проводника шины “земли” .

При передаче высокочастотных импульсных сигналов по ЭПМ из-за наличия индуктивного сопротивления проводников, взаимной индуктивности и емкости между проводниками и других факторов [11], сигналы задерживаются, отражаются, искажаются, появляются перекрестные помехи. Расчет по переменному току позволяет уточнить максимальную допустимую длину одиночного проводника, величины зазоров между проводниками, длину совместного прохождения проводников в системе, состоящей из группы параллельных проводников.

В связи с тем, что в разрабатываемой системе нет линий связи, по которым распространяются высокочастотные сигналы, способные вызвать вышеназванные процессы, рассчитывать ЭПМ по переменному току не представляется необходимым. Минимальная ширина проводников в этом случае ограничена технологическими возможностями производства согласно ОСТ 4ГО.010.019-81, ГОСТ 23751-86 для выбранного класса точности изготовления печатной платы.

Так как в разрабатываемом модуле АЦП используются аналоговые и цифровые микросхемы с номиналами питающего напряжения ±5В, ±15В, кроме раздельных шин питания (для номинала +5В) и земли для цифровой и аналоговой части (БГУИ.411117.001Э3) необходимо просчитать шину питания для аналоговой части (номинал напряжения +15В).

Рассчитаем по (4.2.13), учитывая справочные данные по потребляемой мощности применяемых микросхем [5,13], принимая во внимание возможные размеры трассировочного поля и наихудший вариант трассировки и наихудший случай по максимальной нагрузке на одну шину, шины питания и земли для цифровой части Sпз. ц, шины питания и земли для аналоговой части Sпз. а+5в, Sпз. а±15 .

Таким образом, получим:

 [м2];

[м2];

[м2].

Если принять толщину фольги равной 50 мкм (наиболее распространенная толщина для отечественных марок фольгированного стеклотекстолита [11]), получим следующие значения для минимальной ширины шин:

[мм];

[мм];

[мм].

Таким образом, из полученных результатов видно, что только ширина шины питания и земли для цифровой части модуля АЦП реально превосходит номинальное значение ширины печатного проводника для разрабатываемой ПП (таблице 4.7).

Полученные в результате выполнения конструктивно-технологического расчета конкретные значения параметров и размеров ЭПМ должны быть обеспечены в процессе изготовления печатной платы.

4.3 Выбор и обоснование компоновочных решений

Под компоновкой понимают размещение в пространстве или на плоскости всех необходимых схемных элементов разрабатываемой конструкции при условии обеспечения соответствия параметров работы устройства предъявленным техническим требованиям. Задачами компоновки являются выбор форм, размеров, ориентации, определение взаимного расположения основных схемных и конструктивных элементов на плоскости и в пространстве. От правильного выбора компоновочного решения зависят такие параметры разрабатываемого устройства, как габариты, надежность, помехоустойчивость, быстродействие. Чем плотнее будут располагаться корпуса микросхем (ЭРЭ) на плоскости печатной платы, тем сложнее автоматизировать их монтаж, тем более жестким будет температурный режим их работы, тем больший уровень помех будет наводиться в сигнальных связях. И наоборот, чем больше расстояние между микросхемами, тем менее эффективно используется физический объем конструкции, тем больше длина связей. Поэтому при осуществлении компоновочного решения следует учитывать все последствия того или иного выбранного варианта.

Для разрабатываемой конструкции выбор конкретного компоновочного решения будет определяться в первую очередь схемотехнической реализацией устройства (количеством ИМС и ЭРЭ и связями между ними), используемой элементной базой (типоразмерами корпусов микросхем и ЭРЭ), конструктивом интерфейса между модулем и персональным компьютером (ISA).

Размеры ПП выбираются из зоны размеров печатных плат [11]. Количество возможных значений размеров (высоты и ширины) весьма велико. Однако, до 100 мм можно применять любые размеры, кратные 2,5 мм, до 350 мм – 5,0 мм и свыше 350 мм кратные 10 мм. Кроме того, наибольший размер должен быть не более 470 мм в любом направлении. Также устанавливается ограничение на на соотношение сторон: оно должно быть не более 1:4.

Как было обосновано в п. 4.2, наиболее целесообразным представляется использование корпусов 42 типа с шагом выводов 1,25 мм.

При выборе компоновочного решения необходимо руководствоваться рядом общих правил и положений, среди которых можно выделить следующие [2]:

1) по краям платы следует предусматривать технологическую зону шириной 1,5 – 2,0 мм. Размещение установочных и других отверстий, а также печатных проводников в этой зоне не допускается. Все отверстия должны располагаться в узлах координатной сетки. В том случае, если шаг расположения выводов микросхем не соответствует шагу координатной сетки, одно из отверстий под вывод (желательно первый) микросхемы должно обязательно располагаться в узле координатной сетки;

2) для правильной ориентации микросхем при их установке на ПП на последней должны быть предусмотрены «ключи», определяющие положение первого вывода микросхемы;

3) конденсаторы, резисторы и другие навесные элементы следует располагать параллельно координатной сетке;

4) на ПП должен быть предусмотрен ориентирующий паз (или срезанный левый угол) или технологические базовые отверстия, необходимые для правильной ориентации при изготовлении ДПП;

5) печатные проводники следует по возможности выполнять минимально короткими (этому должно способствовать соответствующее размещение ИМС и ЭРЭ на ПП необходимо учитывать взаимные электрические связи между ними). Не рекомендуется прокладка сигнальных проводников в непосредственной близости и параллельно друг другу во избежание возникновения паразитных наводок;

6) распределение ИМС и ЭРЭ на ПП должно быть по возможности равномерным;

8) на шинах питания микросхем на группу из нескольких ИМС устанавливаются фильтрующие емкости;

7) число отверстий различных диаметров следует сводить к минимуму для повышения технологичности производства ПП.

Реализация принятых компоновочных решений представлена на сборочном чертеже модуля (БГУИ. 411117.001СБ).

Реализацию принятых компоновочных решений необходимо количественно подтвердить с точки зрения проверки разработанной конструкции на вибропрочность. Целесообразность проведения данного расчета обуславливается возможностью возникновения необходимости эксплуатации разрабатываемой системы вблизи некоторого оборудования, являющегося источником вибрационных воздействий.

Расчет на вибрапрочность проводится путем расчета собственной частоты колебаний платы, условно заменяя ее реальную конструкцию балочной схемой. Плата представляется в виде прямоугольной пластины с соответствующим способом крепления.

Формула для расчета собственной частоты имеет вид :

, (4.3.1)

где Km - поправочный коэффициент на материал, рассчитываемый по формуле :

, (4.3.2)

где Е, Р - модуль упругости и плотность применяемого материала;

Ес, Рс - модуль упругости и плотность стали;

Кв – поправочный коэффициент веса элементов, определяемый по формуле :

, (4.3.3)

где Рэ - вес элементов, равномерно размещенных по пластине; Рп- вес пластины;

В - частотная постоянная, рассчитываемая по формуле:

, (4.3.3)

 - коэффициент, зависящий от вида закрепления и соотношения сторон пластины; Е - модуль нормальной упругости; g - ускорение свободного падения; Р - плотность материала пластины; Еps - коэффициент Пуассона;

h - толщина пластины;

A - длина пластины.

Если известны резонансные частоты Fi для всех входящих в блок устройств, то резонансная частота блока Fпл. рассчитывается по формуле:

, (4.3.4)

Разрабатываемая плата должна обладать усталостной долговечностью при воздействии вибрации. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний платы удовлетворяла условию:

, ( 4.3.5)

где nb - вибрационные перегрузки в единицах g;

b - размер короткой стороны платы;

 - безразмерная постоянная, числовое значение которой зависит от значения частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений [2].

Резонансную частоту разработанной платы модуля АЦП рассчитаем с помощью «ПППКЭВС».

Исходные данные для расчета приняты на основании сборочного чертежа модуля (БГУИ.411117.001СБ), массагабаритных характеристик применяемых ИМС и ЭРЭ [5,13], требуемого вида закрепления модуля в ПЭВМ, а также справочных данных на материалы [2] и представлены в таблице 4.3.1.

Таблица 4.3.1 – Исходные данные к рачету вибропрочности

Параметр	Значение
Масса пластины, кг	0,088
Масса элементов, кг	0,075
Толщина пластины, см	0,15
Длина пластины, см	34
Ширина пластины, см	10,5
Поправочный коэффициент на материал (Км)	0,54
Частотная постоянная ()	85

В результате расчета получено значение резонансной частоты для разрабатываемого модуля, равное 43,7 Гц. Проверим условие(4.3.5):

Таким образом, условие (4.3.5) справедливо, следовательно, разработанная плата модуля АЦП будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибрации.

5 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

5.1 Общие требования к структуре и составу программного обеспечения, разработка алгоритма работы

Программное обеспечение (ПО) для разрабатываемой системы должно представлять собой комплекс системных и прикладных программ, позволяющих пользователю эффективно взаимодействовать с автоматизированной системой (управлять работой, реализовывать запросов и т. п.), получать объективную информацию о результатах производимых исследований.

ПО необходимо реализовать под операционную систему Windows (9Х), так как данная операционная система является наиболее распространенной из устанавливаемых на ПЭВМ. Целесообразность такого подхода можно объяснить исходя из задач, возложенных на разрабатываемую систему. В связи с тем, что исследуемые процессы изменения температуры в подавляющем большинстве случаев являются достаточно медленно протекающими, на устройство нерационально возлагать функции по обработке входной информации в реальном масштабе времени. Следовательно, написания ПО под операционную систему реального времени не требуется.

Взаимодействие модуля АЦП и ПЭВМ, в которую он встраивается, целесообразно осуществить использовать механизм прерываний. Номер используемого модулем системного прерывания (с IRQ9 по IRQ12) выбирается соответствующей распайкой перемычки Е2 (БГУИ.411117.001Э3).

С точки зрения пользователя, программа для работы с АСИТР должна иметь приближенный к стандарту Windows интерфейс и обеспечивать получение информации об исследуемом тепловом режиме как в виде, удобном для визуальной, так и для аналитической оценки. Иными словами, на основании данных, полученных в результате исследования, должна быть построена визуальная модель – трехмерный график на основе измерений в исходных точках и аппроксимации полученных значений на весь объем конструкции, подлежащей исследованию. При этом, учитывая относительно небольшое количество каналов, целесообразно предоставить доступ к исходному массиву полученных данных (12 значений). Требования к системным ресурсам – согласно утвержденного ТЗ.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12